基本
功率:36w 垂直 40 度 水平100度 自适应聚焦(仿生功能) 200米探测(10%)
波长
905nm 与 1550nm 波长
功率
分辨率 距离 =》功率
线数
300线,10帧
水平分辨率
0.2度(10hz),0.4度(20hz)
与测量误差有效检测距离
200米 5cm(0.3-0.5米) 2cm (0.5米以上)
激光雷达的有效测量距离与最小垂直分辨率有关,即角度分辨率越小,检测效果越好。如图3所示,两个激光束的直接角度为0.4°,当探测距离为2000时m两个激光束之间的距离是200m*tan0.4°≈1.4m。也就是说在200m之后只能检测到高于1.4m障碍物。
视场角
众所周知,激光雷达的视角分为水平视角和垂直视角,激光雷达的水平视角分为360°,垂直视角一般为40°。
水平视场角 激光雷达的水平视角很容易理解。激光雷达水平旋转,旋转一周360°。
- 垂直视场角
激光雷达的垂直视角是40°,这里要注意2点,一是视角的偏置,二是激光雷达光束的分布。
- 视角偏置 - 视角偏置为5°,也就是说,激光雷达在水平方向上的扫描角度为15°,向下扫描的角度为25°。这也很容易理解。我们主要需要扫描道路上的障碍物,而不是把激光击中天空。为了充分利用激光,激光束会尽量向下偏置一定的角度。
- 光束的分布 - 从前,我也认为激光束的分布是均匀的,也就是说,激光雷达的64线,40线°角度分辨率为40°/64=0.625°,但事实上,激光雷达的光束不是垂直均匀分布的,而是中间密集,两侧稀疏,或者将激光束集中在中间感兴趣的部分,以便更好地检测车辆。
时间同步
时间同步 通过激光雷达提供时间同步硬件接口GPS为激光雷达提供时钟源,可以保证激光雷达的时间和GPS保持时间同步,即激光雷达可以保证周期采样时间非常准确。图5为激光雷达GPS硬件接口说明。
信噪比
信噪比越大,混在信号中的噪声越小,质量越高
从以上公式可以看出,提高信噪比最简单有效的方法是提高连接率。
根据光学扫描器,激光雷达目前可分为三类,
- 一种是旋转机械激光雷达,包括360度旋转和反射镜往复Scala,是目前最常见、最成熟的激光雷达。
- 第二类是MEMS激光雷达。
- 第三类是Flash激光雷达,Flash激光雷达实际上是2D/3D焦平面(FPA)摄像广泛应用于手机和平板电脑领域ToF相机,两者完全相同,但有效距离差别很大。Flash激光雷达由全半导体组成,与目前的传统摄像头几乎没有什么不同,所以未来很大,但最近很难着陆,因为目前VCSEL让Flash激光雷达的有效距离和分辨率都不如前两类顺便说一句,前两种激光雷达输出点云,Flash激光雷达输出3D图像,当然也可以输出点云。目前高性能Flash激光雷达主要是IBEO和OUSTER。都对Beam调整不是单一的Beam而是Multi-Beam。
机械机构
MEMS与机械激光雷达相比,它具有三个优点MEMS 帮助激光雷达摆脱笨重的雷达毫米级微振镜等机械运动装置,大大降低了激光雷达的尺寸,提高了可靠性。
二是成本,MEMS引入微振镜可以减少激光和探测器的数量,大大降低成本。传统的机械激光雷达需要发射模块和接收模块。而采用二维MEMS微振镜只需要一束激光光源通过一侧MEMS微振镜来反射激光器的光束,两者采用微秒级的频率协同工作,通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描目的。与多组发射/接收芯片组的机械激光雷达结构相比,MEMS激光雷达对激光和探测器的需求显著减少。从成本的角度来看,N机械激光雷达需要N组IC芯片组:跨阻放大器(TIA)、低噪声放大器(LNA)、比较器(Comparator)、模数转换器(ADC)等。如果使用进口激光器(典型的例子)Excelitas的LD)和探测器(典型的,如滨松PD),1K每行激光雷达的成本约为200美元,国内常用的长春光机激光器价格较低。MEMS理论上可以实现1/16的成本。
最后是分辨率,MEMS振镜可以精确控制偏转角度,而不像机械激光雷达那样只能调整马达转速。像Velodyne的Velarray每秒单次回波点达到200万,Velodyne128线激光雷达只有240万,Velarray几乎相当于106线机械激光雷达。
那么MEMS缺点是什么?
缺点是信噪比和有效距离FOV太窄。因为MEMS只有一组发射激光和接收装置,信号光功率必须远低于机械激光雷达。同时 MEMS激光雷达接收端的收光孔径很小,远低于机械激光雷达,光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比。导致功率进一步下降。这意味着降低信噪比,缩短有效距离。扫描系统的分辨率由镜面尺寸和最大偏转角度的乘积决定,镜面尺寸与偏转角度矛盾,镜面尺寸越大,偏转角度越小。镜面尺寸越大,分辨率越高。最后MEMS振动镜的成本也与尺寸成正比。MEMS振镜的最大尺寸是Mirrorcle,可达7.5毫米,售价高达1199美元。希景科技开发的速腾投资MEMS镜面直径为5mm,已进入量产阶段;和赛科技PandarGT 3.0中用到的MEMS自研团队提供微振镜。
主要有两种解决方案,一种是使用1550纳米发射波长的激光器,使用光纤领域的外加放大器进一步提高功率,1550 nm人眼安全阈值远高于905波段激光nm激光。因此,在安全范围内可以大幅提高1550 nm光纤激光器的激光功率。沃尔沃和丰田投资的典型例子是Luminar。缺点是1550纳米激光器价格极其昂贵,且这是激光器产业的范畴,激光雷达厂家的技术远不及激光器产业厂家,想压低成本几乎不可能,还有一个缺点是1550纳米对阳光比较敏感。但1550纳米的另一个优点是像毫米波雷达一样全天候。二是使用SPAD或SiPM接收阵列而不是传统阵列APD阵列,SPAD阵列效率比APD典型的例子是丰田中央研究院,高约10万倍。但SPAD目前阵列还不是特别成熟,价格略高。
华为
华为自然会选择快速切入激光雷达领域MEMS然而,针对功率过低的缺点,华为对多线程微振镜激光测量模块进行了改进。
华为采用多个发射和接收组件,而不是传统的机械激光雷达MEMS只有一个激光雷达,因为华为在光电效应突出,采购激光发射器和接收器的成本远低于传统激光雷达。
华为激光雷达光路图
图中画出了三个测距模组,分别是100a、100b、100c,每个模组包括三个元件,分别是激光发射器101B,分光镜102a,接收器103a。104a为出射光束,110为反射镜,105a为回波光束,120为MEMS振镜,微振镜二维扫描摆动,实现光束140a(源自104a)的扫描。130为处理电路。100a、100b、100c结构完全一致,分时发射激光束。华为的等效100线,当然也不是100个测距模组,那样增加成本太多了,毕竟MEMS振镜的垂直扫描密度要好控制的多。
华为激光雷达立体结构图1
华为激光雷达立体结构2
华为激光雷达立体结构3
110反射镜的出现,让华为激光雷达更紧凑,更加方便线路板布线。同时以120MEMS振镜为核心,两边对称放置测距模组。结构更加简洁。160和170为连接线缆,180为透光外壳窗口。
华为这种设计,当然成本和体积肯定比传统MEMS激光雷达大多了,但性能也增加了,特别是有效距离和FOV,通常激光雷达厂家在说明有效距离时不会加上反射率,一般默认为90%,这样数字会好看很多,。功率的增加让MEMS振镜尺寸可以缩小,FOV就可以大一点,华为激光雷达的FOV也是业内最大的。振镜越小,价格也越低。华为这种模块式布局,可以快速出产多种用途的激光雷达,适应不同的市场需求。
最有希望的Flash激光雷达,相信华为也有布局,不过Flash激光雷达的关键不在于激光雷达厂家,而是ToF传感器厂家,这些领域都是巨头,索尼、OV、ST、东芝、松下、安森美、英飞凌等。未来可能像摄像头一样,这些巨头提供传感器,激光雷达厂家做成模组,但这个过程可能长达8-10年。这期间三种激光雷达可能长期共存。
车道线
反射率 标定